噴嘴角度變化對(duì)Shell氣化爐煤氣化影響的數(shù)值模擬

1、高等學(xué)校工程熱物理第十六屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議 編號(hào)： 噴嘴角度變化對(duì)Shell 氣化爐煤氣化影響的數(shù)值模擬陶明春1 郝英立1,2（1. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京，210096;2. 東南大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，南京，210096）（聯(lián)系電話: Email: taomingchun82）摘 要：本文采用Eulerian-Langerange 模型描述氣固兩相流，并用非預(yù)混燃燒模型描述煤氣化爐內(nèi)組分輸運(yùn)和燃燒，對(duì)某廠運(yùn)行的Shell 煤氣化爐的煤氣化現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。得到了氣化爐內(nèi)出口處的溫度和有效氣體摩爾分布等參數(shù)，模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)比較吻合，并研究了一對(duì)噴嘴角

2、度變化和兩對(duì)噴嘴角度變化對(duì)Shell 氣化爐煤氣化的影響，結(jié)果表明當(dāng)噴嘴角度變化范圍處于-5到5之間時(shí)對(duì)煤氣化影響不大，在其他范圍內(nèi)時(shí)候影響較大。關(guān)鍵詞：非預(yù)混燃燒模型，Shell 煤氣化爐，噴嘴角度0 引言煤氣化是煤高效、清潔利用的重要途徑之一。由于我國(guó)石油等能源資源的對(duì)外依賴程度的加深，而國(guó)內(nèi)煤炭資源相對(duì)豐富，為尋求高效、經(jīng)濟(jì)的能源開(kāi)發(fā)技術(shù)，眾多研究發(fā)現(xiàn)煤氣化可以成為緩解資源緊缺的解決方案之一。氣化爐煤氣化技術(shù)因生產(chǎn)壓力高、負(fù)荷大、碳轉(zhuǎn)化率高，成為應(yīng)用廣泛、發(fā)展前景最好的煤氣化技術(shù)之一。氣流床氣化爐以水煤漿或干煤粉為原料，純氧作為氧化劑，目前國(guó)際上比較成熟的主要有Texaco 和Shell

3、 等氣流床煤氣化技術(shù)。對(duì)于氣流床爐內(nèi)煤氣化方面的研究，有不少學(xué)者做了大量的工作。Peter 等人1對(duì)水煤漿氣化爐建立了熱力學(xué)模型，并考察了氣化爐反應(yīng)特性；于海龍等2-4采用簡(jiǎn)化PDF(possibility density function模型建立氣流床氣化爐的二維模型，討論了氧煤比、煤漿濃度等因素對(duì)煤氣化過(guò)程和出口煤氣成分，以及碳轉(zhuǎn)化率的影響；吳玉新等5用簡(jiǎn)化PDF 模型對(duì)氣化爐運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，并考慮了改變水煤漿濃度和碳氧比等參數(shù)對(duì)氣化爐運(yùn)行特性的影響。本文利用商業(yè)CFD 軟件Fluent ，對(duì)某廠運(yùn)行的Shell 煤氣化爐進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：20

4、10CB227002）C采用非預(yù)混燃燒模型模擬氣化爐爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)，dpm 模型考慮顆粒相和氣相的耦合作用，隨機(jī)軌道模型追蹤顆粒運(yùn)動(dòng)，P-1模型計(jì)算爐內(nèi)輻射傳熱，對(duì)Shell 煤氣化爐進(jìn)行研究，并分析討論了運(yùn)行參數(shù)的變化對(duì)煤氣化的影響。 1 計(jì)算模型的控制1.1 計(jì)算對(duì)象的描述本文模擬計(jì)算的對(duì)象是某廠1臺(tái)日消耗煤約1000t 的高壓煤氣化爐，氣化爐高度為6.82m ，內(nèi)徑為2.29m ，如圖1所示，模擬的基準(zhǔn)工況條件如表1所示。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為406527個(gè)，其中噴嘴進(jìn)口處采用局部加密處理。表1 基準(zhǔn)工況下操作條件煤的質(zhì)量組成/% 氣化壓力/Mpa 氧煤比m3/kg

5、蒸汽煤 比/kg/kg C H N O S Ash3.10 0.58 0.12 75.50 4.97 1.43 9.12 0.87 7.911.2 控制方程煤粉經(jīng)過(guò)高壓氮?dú)廨斔?，和氧氣、水蒸氣一起通過(guò)噴嘴進(jìn)入氣化爐燃燒，本文用Eulerian-Lagrangian 離散相模型來(lái)描述氣相和顆粒相，模型對(duì)流體相采用帶旋流修正的Realizable k-模型6-7，采用非預(yù)混PDF 模型描述氣化爐內(nèi)煤粉顆粒的燃燒，輻射傳熱模型選擇P-1模型，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)8。1.3 邊界條件和計(jì)算方法本文中煤粉、氧氣和煤粉均通過(guò)噴嘴進(jìn)入氣化爐，噴嘴處為質(zhì)量流量入口條件，出口處定義為壓力出口，壁面為無(wú)滑移定溫條件。壓力

6、速度耦合方程采用SIMPLEC 算法，計(jì)算時(shí)采用一階迎風(fēng)格式離散控制方程中的對(duì)流項(xiàng)，采用出口入口質(zhì)量差和氣化爐內(nèi)不動(dòng)點(diǎn)溫度來(lái)判斷計(jì)算收斂。圖1氣化爐幾何結(jié)構(gòu)尺寸2 模擬結(jié)果 本文主要以氣化爐爐體高度、爐內(nèi)直徑和噴嘴位置不變?yōu)闂l件，研究噴嘴角度變化對(duì)氣化爐煤氣化的影響。如圖2，其中圖中字母表示噴嘴垂直進(jìn)口方向與水平面之間的角度，并定義噴嘴朝下位置角度為負(fù)角度(如圖中所示，反之為正角度。模擬計(jì)算時(shí)候值處于-1025之間，變化幅度為5。 2.1 模擬結(jié)果與運(yùn)行結(jié)果的對(duì)比表2是氣化爐出口處模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果的比較，從表中可以看出，計(jì)算結(jié)果和運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)是比較接近的，表明模擬計(jì)算時(shí)候模型的選擇、

7、網(wǎng)格的劃分是合理的。表2 模擬結(jié)果和運(yùn)行結(jié)果的比較Temperature/K CO / % H 2 / % CO 2 / % H 2O / % 計(jì)算結(jié)果1759.2 63.53 28.17 2.29 5.46 運(yùn)行結(jié)果 62.48 30.55 2.96 2.82.2 一對(duì)噴嘴角度變化對(duì)煤氣化的影響本文模擬的對(duì)象為某廠運(yùn)行的Shell 干煤粉煤氣化爐，其爐體邊緣布置有4個(gè)噴嘴進(jìn)口，并為兩兩對(duì)置布置。首先以一組噴嘴角度不變，另外一組噴嘴角度變化為條件進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如表3所示。表3 一組噴嘴角度變化時(shí)氣化爐出口處模擬結(jié)果 / 爾圖2 噴嘴角度變化示意圖碳轉(zhuǎn)化率 / %95.74 97.76

8、99.49 96.62 93.17 88.28 83.69 76.35 冷煤氣效率 / %81.51 84.82 88.80 83.45 81.47 78.51 76.37 69.97 從表3可以看出，CO 和H 2的摩爾濃度變化趨勢(shì)一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中，在的值介于-55中間這兩種氣體摩爾濃度存在極大值，在 15時(shí)候這兩種氣體的摩爾濃度降低的幅度開(kāi)始加大，在其他范圍內(nèi)變化幅度不大；H 2O 和CO 2的摩爾濃度變化趨勢(shì)一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，其中，在的值介于-55中間這兩種氣體摩爾濃度存在極小值，在 15時(shí)候這兩種氣體的摩爾濃度降

9、低的幅度開(kāi)始加大；溫度隨值自小到大變化呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，其中，在的值介于-105內(nèi)變化幅度不大，當(dāng)在 10時(shí)候溫度變化幅度開(kāi)始加大。這是由于當(dāng)?shù)闹到橛?55時(shí)候，表示噴嘴進(jìn)口方向與水平面之間的夾角較小，在此范圍內(nèi)一對(duì)噴嘴的角度變化對(duì)煤氣化的影響較小，原因是一對(duì)噴嘴在此角度內(nèi)變化時(shí)，雖然經(jīng)過(guò)該對(duì)噴嘴的煤粉與經(jīng)過(guò)另外一對(duì)噴嘴進(jìn)入氣化爐的煤粉存在兩個(gè)碰撞區(qū)域，但是相比較氣化爐的尺寸，這兩個(gè)區(qū)域相距很近，彼此的影響與兩組均垂直進(jìn)入氣化爐的情況相比不大。當(dāng) 5時(shí)候氣化爐中兩個(gè)碰撞區(qū)域的距離開(kāi)始增大，并使經(jīng)過(guò)一定角度進(jìn)入氣化爐的煤粉碰撞區(qū)域離氣化爐出口部分距離減小，造成了這部分煤粉在氣化爐中停留

10、時(shí)間縮短，影響了氣化爐內(nèi)的反應(yīng)，造成CO 和H 2的摩爾濃度逐漸降低，H 2O 和CO 2的摩爾濃度逐漸升高，溫度急劇升高。反之，當(dāng) -5的時(shí)候，表示經(jīng)過(guò)該對(duì)噴嘴進(jìn)入氣化爐的煤粉碰撞區(qū)域離氣化爐地步距離減小，使得粘在壁面上的顆粒增多，影響了氣化爐的整體效率。另外，氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率曲線的變化趨勢(shì)基本一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，并且在 值介于-55時(shí)候變化范圍不大，在其他區(qū)域變化幅度開(kāi)始增加。這是由于當(dāng) 5時(shí)候，有一部分煤粉在氣化爐中的停留時(shí)間減少，造成該部分煤粉的不充分燃燒或者沒(méi)有來(lái)得及與水蒸氣或CO 2進(jìn)行反應(yīng)，造成氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率均降低。2.3

11、 二噴嘴角度變化對(duì)煤氣化的影響當(dāng)氣化爐的兩對(duì)噴嘴角度均進(jìn)行變化時(shí)候，由于對(duì)稱性的原因，使得進(jìn)入氣化爐的煤粉仍在氣化爐內(nèi)統(tǒng)一區(qū)域碰撞，此時(shí)對(duì)氣化爐進(jìn)行模擬得到結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，CO 和H 2的摩爾濃度變化趨勢(shì)一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中在的值介于-55之間變化范圍比較小，并且在該區(qū)間內(nèi)這兩種氣體摩爾濃度存在極大值，在 15時(shí)候這兩種氣體的摩爾濃度降低的幅度開(kāi)始加大，在其他范圍內(nèi)變化幅度不大；H 2O 和CO 2的摩爾濃度變化趨勢(shì)一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，其中，在的值介于-55中間這兩種氣體摩爾濃度存在極小值，在 15時(shí)候這兩種

12、氣體的摩爾濃度降低的幅度開(kāi)始加大；溫度隨值自小到大變化呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，其中，在的值介于-55內(nèi)變化幅度不大，當(dāng)在 5 以及 5時(shí)候氣化爐中碰撞區(qū)域離氣化爐出口部分距離減小，造成了煤粉在氣化爐中停留時(shí)間縮短，影響了氣化爐內(nèi)的反應(yīng)，造成CO 和H 2的摩爾濃度逐漸降低，H 2O 和CO 2的摩爾濃度逐漸升高，溫度急劇升高。反之，當(dāng) -5的時(shí)候，表示經(jīng)過(guò)該對(duì)噴嘴進(jìn)入氣化爐的煤粉碰撞區(qū)域離氣化爐地步距離減小，使得粘在壁面上的顆粒增多，影響了氣化爐的整體效率。此外，氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率曲線的變化趨勢(shì)基本一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，并且在 值介于-55時(shí)候變化范

13、圍不大，在其他區(qū)域變化幅度開(kāi)始增加。這是由于當(dāng) 5時(shí)候，有一部分煤粉在氣化爐中的停留時(shí)間減少，造成該部分煤粉的不充分燃燒或者沒(méi)有來(lái)得及與水蒸氣或CO 2進(jìn)行反應(yīng)，造成氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率均降低。3 結(jié)論 (1 本文采用非預(yù)混燃燒模型對(duì)某廠運(yùn)行的 Shell 煤氣化爐進(jìn)行了模擬計(jì)算， 計(jì)算結(jié) 果與實(shí)際工業(yè)運(yùn)行參數(shù)比較接近，證明了該模型可以用于氣化爐煤氣化方面的研究。 (2 通過(guò)對(duì)氣化爐噴嘴的入射角度改變的研究發(fā)現(xiàn)，不管是其一組噴嘴的角度發(fā)生 變化還是二組角度都發(fā)生變化，均對(duì)氣化爐煤氣化造成影響，當(dāng)噴嘴的變化角度 介于 -5到 5之間變化時(shí)候，對(duì)氣化爐煤氣化的影響不大，當(dāng)噴嘴的變化角度 處

14、于這個(gè)變 化范圍外的時(shí)候其氣化爐煤氣化的影響比較大。 參 1 考 文 獻(xiàn) Peter Ruprecht, Wolfgang Schafer, Paul Wallace. A computer model of entrained coal gasification. Fuel, 1988: 67(6: 739-742. 2 于海龍, 趙翔, 周志軍, 等. 氧碳原子比和水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水煤漿氣化影響的數(shù)值模 擬J. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 32(4: 390-394. 3 于海龍, 趙翔, 周志軍, 等. 氧煤比對(duì)水煤漿氣化影響的數(shù)值模擬J. 煤炭學(xué)報(bào), 2004, 29(5: 606-6

15、10. 4 于海龍, 趙翔, 周志軍, 等. 煤漿濃度對(duì)水煤漿氣化影響的數(shù)值模擬J. 中國(guó)動(dòng)力工程 學(xué)報(bào), 2005, 25(2: 217-220, 238. 5 吳玉新, 張建勝, 王明敏, 等. 簡(jiǎn)化 PDF 模型對(duì)氣化爐運(yùn)行特性的分析J. 中國(guó)電機(jī)工 程學(xué)報(bào), 2007, 27(32: 57-62. 6 7 8 陶文銓. 計(jì)算傳熱學(xué)M. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001: 370-376. 趙堅(jiān)行. 燃燒的數(shù)值模擬M. 北京: 科學(xué)出版社, 2002. 陶明春, 郝英立. 運(yùn)行參數(shù)變化對(duì) Shell 煤氣化爐煤氣化的數(shù)值模擬(I. 長(zhǎng)沙, 高等學(xué)校 工程熱物理第十六屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議,

16、 2010. Numerical simulation of coal gasification by changing nozzle angle of Shell gasifier TAO Mingchun1 ，HAO Yingli1,2 (1. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096; 2. Institute of Space Science and Technology, Southeast University, Nanjing 210096 Abstract: The numeri

17、cal simulation was used to describe gas-solid two-phase-flow, combustion and coal gasification inside the gas factory shell gasification furnace by using Eulerian-Langerange model and non-premixed combustion model. Temperature field and main components of the molar concentration inside the gasification furnace were gotten, the results were very closed to engineering fact, then analyzed the angle changing of a pair nozzle and two pairs nozzle on impact of shel